Le cyclotron du Musée
des Arts et Métiers
Le cyclotron exposé
au musée des Arts et Métiers est celui du Collège
de France, utilisé par Frédéric et Irène
Joliot-Curie qui travaillaient sur la transmutation nucléaire.
Leur recherche aboutit à la découverte du neutron.
- le cyclotron a une énergie
de 7 MeV
- l'électro-aimant pèse
25 tonnes (celui exposé au musée est factice)

Cyclotron exposé
au Musée
L'inventeur du cyclotron
:
Lawrence Ernest Orlando (Prix Nobel 1939) construisit le
premier cyclotron expérimental en 1929. Mais c'est en
fait en 1931 que l'appareil fut vraiment opérationnel.
Il accéléra des protons d'énergie 13 keV.
Constitution d'un cyclotron
:
- deux électrodes en
forme de D (dee).
- un générateur haute fréquence relié
aux "dees".
- un dispositif pour faire le vide poussé dans le cyclotron.
- un dispositif envoyant des particules ionisées au centre
du cyclotron.
- un électro-aimant créant un champ magnétique
intense.
- un canal d'extraction au bout duquel se trouve la cible.

Bornes + et - alternatives |

Cible
|

Branchement vers la Pompe à
vide
|
|
A quoi sert un cyclotron ?
Un cyclotron sert à accélérer des particules
chargées et à produire des isotopes.
Les particules accélérées sont éjectées
à l'extérieur par une fenêtre pour être
ensuite envoyées sur des cibles.
Il est utilisé dans
la recherche :
- en physique nucléaire
- en astrophysique
- en chimie pour la synthèse
de molécules marquées
- en médecine pour la
production d'isotopes utilisés en tomographie par émission
de positon (T.E.P)
L'énergie maximale acquise par les particules est de l'ordre
de 10 MeV (1 eV = J).
Principe de fonctionnement d'un cyclotron
Les ions produits par la source sont accélérés
par une force électrique sous
l'action d'un champ électrique (q
: charge de la particule).
Les particules sont ensuite déviées avec une vitesse
constante v, par une force magnétique
sous l'action d'un champ magnétique
et décrivent des demi-cercles de rayon
avec la vitesse angulaire .
Cette vitesse angulaire est indépendante de l'énergie.
Les ions déviés se représentent dans l'espace
entre les deux "dees" et sont à nouveau accélérés
sous l'action du champ électrique qui a été
inversé.
L'énergie cinétique des particules augmente à
chaque passage entre les "dees" et le rayon de leur
trajectoire circulaire augmente successivement.
L'énergie cinétique maximale atteinte est égale
à 
Avec : vitesse maximale
atteinte et : rayon
maximal utile du cyclotron.
Les autres types de cyclotrons
Les cyclotrons à
secteurs séparés
:
Ils sont constitués par exemple de 4 zones à champ
fort séparées par 4 zones sans champ. On atteint
des énergies de l'ordre de 1 GeV (1 milliard d'électron-volt).

Les synchro-cyclotrons :
Ces appareils permettent d'atteindre des énergies élevées
jusqu'à environ 1 GeV. Ils nécessitent des des
électro-aimants de très grandes tailles et de masses
élevées (7 000 000 kg).
Les synchrotrons :
Ce sont des modèles géants modernes des cyclotrons
qui ont plusieurs centaines de mètres de rayon et qui
permettent d'obtenir des protons d'énergie de plusieurs
GeV.
Le L.E.P (Large Electron Positron Collider) est un collisionneur
de 27 km de circonférence qui permet d'étudier
l'annihilation mutuelle des électrons et des positrons.
Dans le L.E.P, les particules sont accélérées
par un champ électrique et sont déviées
selon une trajectoire pratiquement circulaire grâce à
un champ d'induction magnétique variable.
Vue aérienne
du site du C.E.R.N sur la frontière Franco-Suisse (photo
C.E.R.N) |
Logiciel de simulation d'un cyclotron (Académie
de Nantes)
Ce logiciel sous DOS (87 Ko en fichier zip) réalisé
par C. Rivoisy est téléchargeable sur le site de
l'académie de Nantes.
Cliquez sur pour accéder à la page de l'Académie
de Nantes.
Ce logiciel permet de simuler
la trajectoire d'une particule positive de charge égale
à la charge élémentaire e et de modifier
la valeur du champ magnétique B, de la tension
accélératrice U, ainsi que sa fréquence
f.
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